工業(yè)純鈦是鈦含量不低于99%,并含有少量鐵、碳、氧、氮與氫等雜質(zhì)的致密金屬鈦。雜質(zhì)對純鈦的力學(xué)性能影響最明顯的是氧、氮和鐵,尤其是氧。氫與鈦的反應是可逆的,氫對鈦的性能影響主要表現為“氫脆”,通常規定氫含量不得超過(guò)0.015%,一般含有0.15%~0.3%的氧和0.03%~0.05%氮。工業(yè)純鈦在常溫雖是密排六方晶格(a),但其軸比?。╟/a=1.587),有較好的可加工性。純鈦的成型性能和焊接性能好,對熱處理不敏感。
工業(yè)純鈦作為外科植入物金屬材料已經(jīng)列人ISO5832-2-1999國際標準。滿(mǎn)足長(cháng)期植入物的材料應有下列基本要求:抗腐蝕、生物相容、優(yōu)越的抗拉強度、耐疲勞和有良好的韌性、彈性模量、抗磨損以及令人滿(mǎn)意的價(jià)格。
耐蝕鈦合金(corrosion resistant titanium alloy)適合于在強腐蝕性介質(zhì)中應用,主要為低強合金。在非宇航領(lǐng)域中主要是利用耐蝕性能好這一優(yōu)點(diǎn)。耐蝕鈦合金提高了工業(yè)純鈦在還原性介質(zhì)中(如鹽酸、硫酸、磷酸、草酸和甲酸等)的耐腐蝕能力,目前比較成熟的有鈦鉬、鈦鈀、鈦鉬鎳、鈦鎳、鈦鉭等合金。
鈦鉬合金是研究最早(1952年)的,它在還原性的鹽酸中具有優(yōu)異的耐蝕性;Ti-30Mo合金在沸騰的5%鹽酸、沸騰的5%硫酸、沸騰的10%磷酸、沸騰的10%醋酸和沸騰的50%甲酸中一般最大的腐蝕率為0.0254~0.0508mm/a。而純鈦在93.3℃的10%硫酸溶液中的腐蝕率達到38.1~50.8mm/a;Ti-30Mo合金在氧化性介質(zhì)中耐蝕性較差。由于加入高密度的鑰給合金的熔煉、加工和焊接帶來(lái)一定的困難。由鈦鉬合金又派生出了鈦鉬鈮、鈦鉬鋯、鈦鉬鈀等耐蝕鈦合金。
鈦鈀合金(TA9)在氧化性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐蝕性。對還原性介質(zhì)也有一定的耐蝕能力,尤其能改善其在高氯離子濃度介質(zhì)中的抗縫隙腐蝕能力。含0.2%鈀的鈦鈀合金在5%沸騰硫酸中,可以使腐蝕率從48.26mm/a(工業(yè)純鈦)降低到0.508mm/a,耐腐蝕能力提高約95倍。該合金具有良好的加工、成型和焊接性能,但含有貴金屬鈀,成本高。
鈦鉬鎳合金(TA10)名義成分為T(mén)i-0.3Mo-0.8Ni,是20世紀70年代中期美國研究開(kāi)發(fā)的Ti-12合金,是一種抗縫隙腐蝕的鈦合金。該合金在300℃的抗拉強度比純鈦高一倍,抗還原性介質(zhì)的腐蝕能力明顯提高,在150~200℃的氯化物中不發(fā)生縫隙腐蝕。鈦鎳合金(T1-2Ni)在高溫脫鹽裝置中的使用溫度可達200℃左右。
鈦鉭合金(T1-5Ta)是俄羅斯以4204合金牌號、日本神戶(hù)制鋼以KSSOTa牌號生產(chǎn)的抗硝酸腐蝕的a型鈦合金。該合金具有良好的工藝性能和焊接性能,在100~200℃流動(dòng)的硝酸中腐蝕率低于0.1mm/a。已在硝酸回收裝置和核燃料后處理工序得到了應用。
按強度分類(lèi)的低強度鈦合金主要用于耐蝕環(huán)境,其他鈦合金用于結構件,稱(chēng)結構鈦合金(structure titanium alloy)。普通強度鈦合金(約500MPa),主要包括工業(yè)純鈦、Ti-2A1-1.5Mn(TC1)和Ti-3A1-2.5V(TA18),獲得了廣泛的應用。由于加工成型性能和可焊性好,合金用于制造各種航空用板材零件和液壓管等,以及自行車(chē)民用產(chǎn)品。中等強度鈦合金(約900MPa)的典型合金是Ti-6A1-4V(TC4),廣泛用于宇航工業(yè)。板材高強度鈦合金是室溫抗拉強度在1100MPa以上,由近B鈦合金和亞穩定B鈦合金組成,主要用來(lái)代替飛機結構中常用的高強度結構鋼,其典型合金有了Ti-13V-11Cr-3A1、Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn和Ti-10V-2Fe-3A1合金等。
耐熱鈦合金(heatresistan titanium alloy)是適合于在較高溫度下長(cháng)期工作的鈦合金。它在整個(gè)工作溫度范圍內具有較高的瞬時(shí)和持久強度。室溫下有較好的塑性、較好的蠕變抗力和良好的熱穩定性。在室溫與高溫下均有好的抗疲勞性能。主要用來(lái)制造壓氣機中的盤(pán)、葉片、進(jìn)氣機厘以及飛機結構件。已得到應用的耐熱鈦合金有固溶強化的a+B型和近a型鈦合金。能在500℃以下長(cháng)期工作的a+B型耐熱鈦合金,它們都含有較多的a穩定元素,鋁當量都在6以上。加入適當的B穩定元素,使合金在高溫下不僅顯示高的瞬時(shí)強度,而且具有足夠的塑性。典型的合金有TC4(Ti-6A1-4V),TC6(Ti-6A1-2.5Mo-2Cr-0.5Fe-0.3Si)和TC11(Ti-6.5A1-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)。在500℃以下長(cháng)期工作的a型耐熱鈦合金,它們都含有少量a穩定元素。鋁當量幾乎都在7以上,在平衡狀態(tài)下合金有更多的a相,因此這些合金在500℃以上具有更高的蠕變抗力和更好的抗疲勞性和斷裂韌度。由于近a型合金具有這些優(yōu)良的綜合性能,而使其成為耐熱合金的主要體系。典型的合金有Ti-8A1-1Mo-1V(美國Ti-811)、Ti-6A1-2Zr-1Mo-1V(俄羅斯BT20)、Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo(美國Ti-6242)和Ti-5.5A1-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si(英國IMI-829)。
發(fā)展使用溫度高于500℃的耐熱合金,主要是解決合金熱強性與熱穩定性之間的矛盾。目前國外在500~600℃使用的耐熱鈦合金有英國的IMI-834(Ti-6A1-4.5Sn-4Zr-1Nb-0.5Mo-0.4S-0.02Fe-0.05℃),其最高使用溫度可達600℃,正在進(jìn)行評價(jià)的有美國的Ti-1100(Ti-6A1-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si-0.02Fe)。用于溫度為600℃的耐熱鈦合金,是Timet公司1988年研制的近a鈦合金。
人們期望采用具有高損傷容限性能Ti3A1、TiAl為基體的金屬間化合物新型耐熱鈦合金。Ti3A1合金室溫塑性低,有代表性的合金為T(mén)i-14A1-21Nb、Ti-14A1-21Nb-3V-2Mo合金和Ti-24A1-10Nb、Ti-25A1-8Nb-2Mo-2Ta、Ti-25A1-10Nb-3V-1Mo以及Ti-22A1-27Nb合金。
低溫鈦合金(crgogenic titanium alloy)是適合于低溫下使用的a和a+B鈦合金。該類(lèi)合金強度隨溫度的降低而增加、韌性隨溫度的降低而很少下降,可作低溫結構件。低溫鈦合金發(fā)展趨勢是將氧含量由0.2%(普通級)降至0.12%,形成極低間隙級鈦合金。能在超低溫下使用。